直接书写打印制备高弹纳米发电器件的研究

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随着技术的发展,摩擦纳米发电器件(TENG)在制造过程中对形状的控制提出了新的需求。采用直接书写打印(DIW)的制造方法,可按需逐层打印TENG,此外,加入其他功能聚合物,将扩大TENG器件的应用范围。以纤维素纳米纤维(CNF)制作的气凝胶具有绿色可再生、孔隙率高、比表面积大、生物相容性好等优点,是一种具有发展前景的TENG正极材料。但纤维素气凝胶强度较低,在较高压缩应变下使用寿命较短,因此,提高纤维素气凝胶的弹性与强度对TENG在实际应用方面具有重要意义。本论文以CNF作为TENG正极主要材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为TENG负极主要材料。CNF水凝胶与甲基纤维素(MC)结合制备符合DIW打印要求的CNF墨水,使TENG正极不仅内部具有片层状多孔结构,其表面也具有图案化结构,从而大大增强了所得器件的摩擦性能。在此基础上,为提高正极摩擦层的回弹性与强度,分别通过氢键作用将CNF与碱性木质素(AL)结合,通过静电作用将CNF与聚乙烯亚胺(PEI)结合,制备了CNF/AL和CNF/PEI两种墨水。通过对墨水流变性的进行分析,表明正极墨水具有“剪切变稀”的特征,属于触变性流体,符合DIW要求。最后,对摩擦层的微观形貌、压缩性能、电学输出性能等分别进行分析。经研究发现,加入AL后气凝胶表面片层结构增加,内部形成蜂窝型气管状结构。当AL与CNF绝干比达到1:1时,冷冻干燥后形成的气凝胶具有优异的压缩性和稳定性,在应变高达到10%之后进入塑性变形阶段,50次压缩循环后应力保持率高达91.66%。TENG在20%的压缩应变下可产生高达85V的电压。加入PEI后气凝胶表面呈现纤维膜状结构,内部形成有序排列的片层结构。应力应变曲线表明,随着PEI的加入,气凝胶的柔韧性和变形性得到一定提高。当PEI绝干添加量为CNF的10%时,50次压缩循环后应力保持率高达87.36%,且随PEI的添加,应力保持率呈上升趋势。当PEI绝干添加量为CNF的1%时,TENG在20%的压缩应变下可产生高达100V的电压,且电流密度与充电性能得到提高。
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